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高温下钢框架荷载效应研究方法综述摘要：随着钢结构越来越广泛的应用于实际生产和生活中，对钢结构的防火性能的研究也不断得到重视。
本文通过查阅文献，对高温下钢框架结构荷载效应的研究方法进行综述，得出各种方法存在的问题和缺陷，并对以后的研究发展进行了展望。
关键词：高温钢框架温度应力0 引言钢结构由于强度高、自重轻、延性好、施工周期短等优点，在建筑结构中被广泛应用。
但是由于钢材的导热系数大，高温作用下，钢材温度升高快，强度和弹性模量迅速下降，使钢结构在较短的时间内达到极限状态而发生破坏。
目前，对于钢框架柱荷载效应的研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟三种方法。
1 高温下钢框架荷载效应的研究方法1.1理论分析1990 年，李国强提出了广义 clough 模型[1]，其后，该校的谭巍[2]、曹文衔[3]分别根据广义 clough 模型建立了高温钢结构梁单元切线刚度方程。
文献[4]中也基于该模型，同时考虑了温度沿单元截面非均匀分布的影响，建立了高温下钢结构梁单元的切线刚度方程。
1994 年，李国强、金福安根据火灾时钢构件的内部温度分布及性能，进行了结构温度内力和钢框架非线性静力反应分析，并基于分析结果提出一种钢框架结构抗火极限状态的实用分析方法[5]。
1999年李国强，蒋首超，林桂祥编写的《钢结构抗火计算与设计》[6]一书中，提出了一种用结构力学处理超静定结构温度变化的方法。
2000年蒋首超，李国强[7]利用结构力学的原理, 提出了局部火灾下钢框架温度内力的计算方法。
具体步骤为：①计算梁、住端轴向变形约束刚度;②计算杆端转动约束刚度。
③根据下式求得带弹性杆端约束构件的温度应力：具体参数参见文献[7]2000年赵金城[8]提出一种直接迭代方法来分析受火钢框架的反应。
该方法可以计算相应于特定荷载水平和温度分布的结构总体反应，在推导有限元方程时，采用了割线刚度矩阵，而不是常用的切线刚度矩阵，然后采用直接迭代法求解。
火灾下二层钢框架温度场分析【摘要】本文运用ANSYS有限元分析软件对一平面钢框架进行火灾模拟计算，建立了平面钢框架的三维有限元模型，分别求出了一层左端单元和二层左端单元受火条件下钢框架的梁、柱翼缘和腹板随时间变化的温度分布情况。
【关键词】ANSYS 有限元火灾钢框架温度1 引言钢结构建筑建造速度快、抗震性能好、建筑造型美观且富于变化，随着我国钢产量的大幅度提高，建筑技术的不断进步，其应用前景非常广泛。
但是，耐火性能差是钢结构的一个致命缺点，钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标在高温下急剧下降，一旦发生火灾，钢结构建筑就有可能发生严重的破坏，甚至过早地整体倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。
由此可见，对钢结构抗火性能的研究已经成为工程界需要迫切解决的问题。
本文对一二层二跨的平面钢框架进行火灾模拟计算，分析了在两种不同工况下钢框架梁、柱翼缘和腹板随时间变化的温度分布情况。
希望能为钢结构抗火性能的研究与工程实用提供一定的依据。
2 模型的建立与求解2.1 模型的建立文中选取的计算模型为二层二跨的平面钢框架，层高3m，柱间距5.2m，所有柱脚固结。
柱顶受垂直集中荷载为25KN，所有横梁受均布荷载为25KN/m。
梁和柱材料均为Q235钢，工字形截面尺寸如表1所示。
模型见图1。
2.2 定义材料热学性能参数钢材的导热性、比热采用EUROCODE3规范所规定的数值，钢材导热性曲线见图2，钢材比热曲线见图3。
钢材的密度不随温度的改变而变化，取7850kg/m3。
2.3 常温、高温下材料力学性能的定义（1）定义热膨胀系数和常温下的屈服应力：钢材的热膨胀系数αs=l.4×10-5；常温下的屈服应力？y=275×106N/m2。
（2）定义随温度变化的应力-应变关系：图4为钢材随温度变化的应力-应变关系曲线，图中共给出lO个参考温度，每个温度时的应力-应变由3个点描述。
2.4 求解假定该梁所在空间温度按ISO-834标准火模型上升，本文对模型二进行二种工况分析：工况一：假定钢框架结构一层左端单元发生火灾，受火框架模型见图5。
框架结构的高温变形分析在现代建筑工程中，框架结构被广泛应用于高层建筑、桥梁和其他大型工程中。
然而，在高温环境下，框架结构往往会发生变形，甚至崩塌，造成严重的安全隐患。
因此，对框架结构在高温条件下的变形进行准确分析，成为了保障建筑安全的关键。
首先，我们需要了解高温对框架结构的影响。
当框架结构处于高温环境中时，其内部的材料会受到热膨胀的影响。
热膨胀会导致结构的长度和形状发生改变，进而引起结构的变形。
此外，高温还会导致材料的强度和刚度降低，进一步影响结构的稳定性。
因此，准确分析框架结构在高温环境中的变形现象，对于确保建筑安全至关重要。
为了对框架结构的高温变形进行分析，我们可以使用有限元方法。
有限元方法是一种通过将结构划分为有限个小单元，建立数学模型来分析结构行为的数值分析方法。
在高温环境中，我们可以根据框架结构的几何形状和材料特性，建立有限元模型。
通过对模型施加高温载荷，我们可以获得结构在高温条件下的变形情况。
在进行有限元分析时，我们需要考虑材料的热膨胀系数和热导率等参数。
热膨胀系数是衡量材料在温度变化时膨胀程度的物理量，而热导率则是衡量材料传导热量的能力。
通过将这些参数考虑进有限元模型中，我们可以更准确地分析框架结构的高温变形。
除了有限元分析，我们还可以利用实验方法来验证分析结果。
在实验中，我们可以将小样板或小模型暴露在高温环境中，测量其变形情况，与有限元计算结果进行对比。
通过不断优化有限元模型，我们可以提高分析的准确性，并进一步优化框架结构的设计。
此外，除了框架结构本身的变形分析，我们还需要考虑高温下连接件的影响。
连接件在框架结构中起着重要的作用，其性能的变化也会直接影响到整个结构的安全性。
因此，我们在高温变形分析中应当考虑连接件的热膨胀、热弹性和高温下的强度等参数。
通过综合考虑框架结构和连接件的变形，我们可以更准确地评估结构在高温环境中的安全性。
最后，为了提高框架结构在高温环境中的抗变形能力，我们可以采取一些措施。
钢结构框架梁柱节点性能分析摘要：钢结构框架梁柱节点施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此应优化梁柱节点的质量。
本文通过概述钢结构框架梁柱节点内容，围绕有限元模型、载荷等方面研究钢结构框架梁柱节点性能，分析多种要素对于节点性能的影响，为优化节点质量提供参考意见，提升建筑工程整体质量，突出项目结构的抗震性能。
关键词：建筑工程；钢结构框架；梁柱节点前言：钢结构具有韧性塑性强、重量轻、制造简便的优势，该模式在建筑工程中的应用可以缩短施工周期、提升抗震性能。
其中梁、柱节点是框架关键连接位置，其性能会决定框架结构在载荷基础下的整体性。
因此，有必要深入分析钢结构框架梁柱节点的实际性能，实现构件和节点的标准化设计，优化节点性能。
1钢结构框架梁柱节点概述1.1刚性连接模式其一，全焊连接。
借助融透的方式焊接梁上下翼，通过双面胶焊接腹板。
上述连接模式对于焊接技术要求较高，若操作失误会导致应力集中，对施工结构受到影响。
其二，全栓焊接。
借助T型钢，使用高强螺栓连接梁翼和柱翼，不会产生三向应力和残余应力。
其三，混合连接。
该模式包含两方面内容：一方面是利用融透焊接梁上下翼，并通过大刚度角钢连接高强螺栓，借助剪力板连接柱翼和高强螺栓。
多层钢结构中主要利用刚性连接梁柱，通过柱贯通方式连接框架柱和梁。
针对抗震部分，应确保梁翼缘厚度和加劲肋相同。
若属于非抗震区域，加劲肋的厚度应≥梁翼缘厚度的1/2，满足板件的实际宽厚比值，防止连接节点受到破坏。
1.2柔性连接模式柔性连接又称为铰接连接，在梁侧无线位移，不过可以进行自由的转动。
该模式包含承托、端板以及角钢三方面。
其中，角钢主要连接柱和梁腹板，可以借助连接板替代角钢。
端板连接模式和角钢相同，但不可替代。
利用承托连接模式连接柱的腹板时，主要将厚板当作承托构件，防止柱腹板弯矩较大，确保偏心力矩传输至柱翼位置。
2钢结构框架梁柱节点性能研究2.1构建有限元模型本课题主要借助有限元软件，依据相关学者关于连接节点的研究内容，构建建筑工程中钢框架梁的非线性节点有限元模型，分析其中力学性能的差异性，为后续工程梁柱节点连接模式提供新思路[1]。
高温下钢框架结构失效有限元分析
摘要：钢框架结构的耐火性差是该结构的致命缺点。
文章以ANSYS有限元分析软件为研究手段，对三层三跨的钢框架结构在高温下的温度分布、变形、耐火极限进行计算，为研究钢框架结构的抗火设计方法提供参考。
关键词：有限元；失效；耐火极限
随着我国钢铁事业的蓬勃发展，钢框架结构在社会生产、生活中的应用范围也相应得到提高。
然而，在现代社会，火灾频发，给人类带来了巨大的身心伤害以及经济上的损失。
钢框架结构虽然在高温下不会自身燃烧，却极易出现塑性变形、强度降低，直至坍塌的严重后果。
所以，通过对钢框架结构的构件在高温下进行有限元分析，进一步探讨钢框架结构的临界温度和耐火极限，从而来指导钢结构的抗火设计，以尽量降低火灾对钢框架结构的损害，是很有现实意义的。
1 高温下结构非线性有限元分析理论
当钢结构在局部处于高温状态下，一方面，由于高温下材料加载历史、环境状况、加载的时间总量等因素影响到材料的应力－应变性质，在高温下材料的塑性形变决定了在分析中必须考虑材料非线性的影响；另一方面由于高温下结构刚度的降低及热膨胀约束变形等因素造成的几何非线性的影响较常温更加严重。
所以在用进行局部火灾条件下结构的失效分析时，必须在同时考虑材料非线性及几何非线性的基础上进行。
2 钢框架在高温下的结构破坏原理
钢框架在局部房间发生火灾时，其破坏首先是由于起火房间的梁、柱在内部高温作用下，由于承载能力下降，使局部梁柱失效，接着引起结构的内力重分布，最后导致结构的破坏。
3 利用ANSYS分析软件对高温下钢框架结构的失效分析
3.1 钢框架分析模型
本文主要分析在房间发生火灾时，其梁柱在相同的应力比条件下，局部结构在高温下失效，从而引起整体的失效分析，并且采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能。
所选用的分析模型为三层三跨，跨度为5.5 m，高度为3 m。
其他具体参数如下：
截面：梁为H 300×160×8×10 mm，柱为H 200×200×8×12 mm；
均布荷载：梁顶q＝25.4 kN/m；
集中荷载：外侧柱顶Q＝75.5 kN，内侧柱顶Q＝75.5 kN；
温度荷载：选取加温过程中构件翼缘与腹板的平均温度。
温度变化范围见表1、表2。
3.2 高温下钢框架结构的失效分析
本文对钢框架高温下失效分析属于静立分析中的几何非线性分析和材料非线性综合的双重非线性问题进行了分析。
笔者将防火间分别设在了平面钢框架的一层和三层，对两种不同情况分别建立了分析模型。
具体见图1、图2。
在非线性菜单的设置中，通过激活大应变控制效应（NLGEOM，ON），并打开二分法（AUTOTS，ON），在Newton－Raphson选项中选择program chosen，进而综合考虑几何非线性和材料非线性进行求解。
3.2.1 防火间在一层模型的分析结果
本文所采用的破坏准则为：①柱破坏或梁整体失稳；②梁的跨中挠度超过跨度的1/30（即为183.33 mm），结合表3、图1、图4的分析数据可得到以下结果：
（1）结构整体变形情况。
在0～15 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的变化。
到16 min时，防火间的柱表面发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点10甚至发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。
在0～15 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到16 min时，梁10－11的跨中挠度猛增到334.63 mm，超过了破坏极限。
（3）防火间在一层模型的耐火极限。
从以上梁、柱的变形过程可知，在0～15 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第16 min，柱子发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是15 min。
3.2.2 防火间在三层模型的分析结果
结合表7、图2、图4的分析的可得出：
（1）结构整体变形情况。
在0～19 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的
变化。
到20 min时，梁1－2发生严重扭曲，5－6发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点5和6发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。
在0～19 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到20 min时，梁1－2和5－6都大大超过了破坏极限。
（3）防火间在三层模型的耐火极限。
从以上梁、柱的变形过程可知，在0～19 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第20 min，梁发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是19 min。
4 结束语
本文根据有限元基本理论，利用ANSYS的非线性分析模块，采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能，综合考虑几何非线性和材料非线性的影响，分析出两个钢框架模型在不同时刻的变形情况，再根据本文采用的高温下框架破坏准则可知：
（1）防火间在一层的模型该模型的耐火极限是15 min；防火间在3层的模型的耐火极限是19 min；较一层相比耐火极限稍长。
所以在钢框架结构中低层防火间的防火设计、防火措施上需要加强。
（2）梁柱节点处是构件中最易塑性变形的部位，处于高温作用下的构件，梁柱节点最易达到屈服状态，所以该部位属于结构抗火中设计人员最应加强的薄弱点。
（3）未进行抗火设计的钢框架结构的失效时间远小于一般结构耐火极限的要求，所以必须按照规范对钢结构进行严谨的抗火设计。
综上所述，钢框架的耐火极限通常在14～20 min之间，可见钢框架结构发生火灾时，给消防员灭火、救灾的时间非常有限，所以在钢结构的防火设计中，如何尽可能地延长钢结构达到临界温度的时间，如何尽可能地避免发生整体坍塌，是钢结构设计人员们值得不断探讨研究的课题。
参考文献：
［1］宋勇，艾宴清，梁波等.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.
［2］Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1.2：General rules/ Structural fire design. ENV1993－1－2.October 2001.
［3］李国强，金福安.火灾时钢框架结构的极限状态分析［J］.土木工程
学报，1994（1）.
（编辑：李敏）
Finite Element Analysis of Steel Frame Structure’s
Losing Efficacy under the High Temperature
Wang Kun
Abstract: The weak fire resistance of steel frame structure is the fatal shortcoming of structure. Taking ANSYS finite element analysis software as research means, the article calculates the temperature distribution, deformation and fire resistance limit of three－layer and three－span steel frame structure under high temperatures, to provide reference for fire resistant design method of steel frame structure.
Key words: finite element; fire resistance limit。
